李宏毅《深度学习》- Self-attention 自注意力机制

无论是预测视频观看人数还是图像处理，输入都可以看作是一个向量，输出是一个数值或类别。然而，若输入是一系列向量（序列），同时长度会改变，例如把句子里的单词都描述为向量，那么模型的输入就是一个向量集合，并且每个向量的大小都不一样：将单词表示为向量的方法：One-hot Encoding（独热编码）。向量的长度就是世界上所有词汇的数目，用不同位的1（其余位置为0）表示一个词汇，如下所示：但是它并不能区分

Beta Lemon

16388人浏览 · 2021-10-20 21:48:22

Beta Lemon · 2021-10-20 21:48:22 发布

Transformer & BERT PPT: https://speech.ee.ntu.edu.tw/~hylee/ml/ml2021-course-data/self_v7.pdf
【李宏毅《机器学习/深度学习》2021课程（国语版本，已授权）-哔哩哔哩】

一、问题分析

1. 模型的输入

无论是预测视频观看人数还是图像处理，输入都可以看作是一个向量，输出是一个数值或类别。然而，若输入是一系列向量（序列），同时长度会改变，例如把句子里的单词都描述为向量，那么模型的输入就是一个向量集合，并且每个向量的大小都不一样：
词汇向量
将单词表示为向量的方法：One-hot Encoding（独热编码）。向量的长度就是世界上所有词汇的数目，用不同位的1（其余位置为0）表示一个词汇，如下所示：

apple = [1, 0, 0, 0, 0, …]
bag = [0, 1, 0, 0, 0, …]
cat = [0, 0, 1, 0, 0, …]
dog = [0, 0, 0, 1, 0, …]
computer = [0, 0, 0, 0, 1, …]

但是它并不能区分出同类别的词汇，里面没有任何有意义的信息。

另一个方法是Word Embedding：给单词一个向量，这个向量有语义的信息，一个句子就是一排长度不一的向量。将Word Embedding画出来，就会发现同类的单词就会聚集，因此它能区分出类别：
在这里插入图片描述
另外还有语音信号、图像信号也能描述为一串向量：

语音信号	图论
取一段语音信号作为窗口，把其中的信息描述为一个向量（帧），滑动这个窗口就得到这段语音的所有向量	①社交网络的每个节点就是一个人，节点之间的关系用线连接。每一个人就是一个向量 ②分子上的每个原子就是一个向量（每个元素可用One-hot编码表示），分子就是一堆向量

2. 模型的输出

模型的输出

类型一：一对一（Sequence Labeling）

每个输入向量对应一个输出标签。

文字处理：词性标注（每个输入的单词都输出对应的词性）。
语音处理：一段声音信号里面有一串向量，每个向量对应一个音标。
图像处理：在社交网络中，推荐某个用户商品（可能会买或者不买）。

类型二：多对一

多个输入向量对应一个输出标签。

语义分析：正面评价、负面评价。
语音识别：识别某人的音色。
图像：给出分子的结构，判断其亲水性。

类型三：由模型自定（seq2seq）

不知道应该输出多少个标签，机器自行决定。

翻译：语言A到语言B，单词字符数目不同
语音识别

3. 序列标注 (Sequnce Labeling) 的问题

利用全连接网络，输入一个句子，输出对应单词数目的标签。当一个句子里出现两个相同的单词，并且它们的词性不同（例如：I saw a saw. 我看见一把锯子），这个时候就需要考虑上下文：利用滑动窗口，每个向量查看窗口中相邻的其他向量的性质。

序列标注

但是这种方法不能解决整条语句的分析问题，即语义分析。这就引出了 Self-attention 技术。

二、Self-attention 自注意力机制

输入整个语句的向量到self-attention中，输出对应个数的向量，再将其结果输入到全连接网络，最后输出标签。以上过程可多次重复：
在这里插入图片描述

Google 根据自注意力机制在《Attention is all you need》中提出了 Transformer 架构。

1. 运行原理

这里需要三个向量：Query，Key，Value。其解释参考文章《如何理解 Transformer 中的 Query、Key 与 Value》- yafee123

在这里插入图片描述
注： $b^i (1≤i≤4)$ 是同时计算出来的， $a_{i,j}$ 为 $q^i$ 和 $k^j$ 的内积。

上述过程可总结为：

输入矩阵 $I$ 分别乘以三个 $W$ 得到三个矩阵 $Q, K, V$
$A=QK^\top$ ，经过处理得到注意力矩阵 $softmax(\frac{QK^\top}{\sqrt{d_k}})$
输出 $O = A^{'} V$

即：
$Attention(Q,K,V)=softmax(\frac{QK^\top}{\sqrt{d_k}})V$
其中， $\sqrt{d_k}$ 为向量的长度。

注意力系数计算¹：

阶段1：根据Query和Key计算两者的相似性或者相关性
阶段2：对第一阶段的原始分值进行归一化处理
阶段3：根据权重系数对Value进行加权求和，得到Attention Value

在这里插入图片描述
其中唯一要训练出的参数就是 $W$ .

具体计算参考：动手推导Self-Attention

2. 多头注意力机制 (Multi-head Self-attention)

在这里插入图片描述
$b^i=W^0\left[ \begin{array}{c} b^{i,1} \\ b^{i,2} \end{array} \right]$

$MultiHead(Q, K, V)=Concat(head_1, ..., head_h)W^O \\ head_i = Attention(QW_i^Q, KW_i^K, VW_i^V)$
如上述公式，在Multi-head的情况下，输入还是 $Q, K, V$ ，输出是不同head的输出的拼接结果，再投影到 $W^O$ 中。其中，对每一个head，可以将 $Q, K, V$ 通过不同的可学习的参数 $W^Q,W^K,W^V$ 投影到一个低维上面，再做注意力函数 $A tt e n t i o n$ ，最后输出结果。

Query，Key，Value首先经过一个线性变换，然后输入到放缩点积attention，注意这里要做 $h$ 次，其实也就是所谓的多头，每一次算一个头。而且每次Q，K，V进行线性变换的参数 $W$ 是不一样的（ $W^q,W^k,W^v$ ）。然后将 $h$ 次的放缩点积attention结果进行拼接，再进行一次线性变换得到的值作为多头attention的结果。²

对于Self-attention来说，并没有序列中字符位置的信息。例如动词是不太可能出现在句首的，因此可以降低动词在句首的可能性，但是自注意力机制并没有该能力。因此需要加入 Positional Encoding 的技术来标注每个词汇在句子中的位置信息。

自注意力中为何要缩放？³

维度较大时，向量内积容易使得 SoftMax 将概率全部分配给最大值对应的 Label，其他 Label 的概率几乎为 0，反向传播时这些梯度会变得很小甚至为 0，导致无法更新参数。因此，一般会对其进行缩放，缩放值一般使用维度 dk 开根号，是因为点积的方差是 dk，缩放后点积的方差为常数 1，这样就可以避免梯度消失问题。

另外，Hinton 等人的研究发现，在知识蒸馏过程中，学生网络以一种略微不同的方式从教师模型中抽取知识，它使用大模型在现有标记数据上生成软标签，而不是硬的二分类。直觉是软标签捕获了不同类之间的关系，这是大模型所没有的。这里的软标签就是缩放的 SoftMax。

至于为啥最后一层为啥一般不需要缩放，因为最后输出的一般是分类结果，参数更新不需要继续传播，自然也就不会有梯度消失的问题。

3. 位置编码 (Positional Encoding)

在这里插入图片描述

每一个不同的位置都有一个专属的向量 $e^i$ ，然后再做 $e^i+a^i$ 的操作即可。但是这个 $e^i$ 是人工标注的，就会出现很多问题：在确定 $e^i$ 的时候只定到128，但是序列长度是129。在最早的论文⁴中是没有这个问题的，它通过某个规则（sin、cos函数）⁵ 产生。尽管如此，位置编码也可以通过学习来得出。

BERT⁶ 模型也用到了自注意力机制

Self-attention 还可以用在除NLP以外的问题上：语音处理，图像处理。

三、其他应用

1. 语音识别

在这里插入图片描述

2. 图像识别

在做CNN的时候，一张图片可看做一个很长的向量。它也可看做 一组向量：一张 $5 * 10$ 的RGB图像可以看做 $5 * 10$ 的三个（通道）矩阵，把三个通道的相同位置看做一个三维向量。
CNN
具体应用：GAN、DETR
在这里插入图片描述

2.1 自注意力机制和CNN的差异

在这里插入图片描述

CNN看做简化版的self-attention：CNN只考虑一个感受野里的信息，self-attention考虑整张图片的信息
self-attention是复杂版的CNN：CNN里面每个神经元只考虑一个感受野，其范围和大小是人工设定的；自注意力机制中，用attention去找出相关的像素，感受野就如同自动学出来的。

在这里插入图片描述
如果用不同的数据量来训练CNN和self-attention，会出现不同的结果。大的模型self-attention如果用于少量数据，容易出现过拟合；而小的模型CNN，在少量数据集上不容易出现过拟合。⁷

2.2 与RNN的差异

在这里插入图片描述
因此很多的应用逐渐把RNN的架构改为Self-attention架构。⁸

3. 应用于图论（GNN）

在这里插入图片描述

自注意力机制的缺点就是计算量非常大，因此如何优化其计算量是未来研究的重点。

四、代码实现

参考超详细图解Self-Attention - 伟大是熬出来的

1. Self-Attention

根据公式
$Attention(Q,K,V)=softmax(\frac{QK^\top}{\sqrt{d_k}})V$
因为 $Q$ 与 $K^\top$ 做矩阵乘法，所以 $Q$ 列的维度等于 $K$ 列的维度，即 $dim_q == dim_k$ . 在BERT中， $dim_q == dim_k == dim_v == hidden\_size$ .

import torch
import torch.nn as nn
import math

class SelfAttention(nn.Module):
    """
    input : batch_size * seq_len * input_dim
	    q : batch_size * input_dim * dim_k
	    k : batch_size * input_dim * dim_k
	    v : batch_size * input_dim * dim_v
    """
    def __init__(self, input_dim, dim_k, dim_v):
        super().__init__()
        self.dim_k = dim_k
        self.q = nn.Linear(input_dim, dim_k)
        self.k = nn.Linear(input_dim, dim_k)
        self.v = nn.Linear(input_dim, dim_v)
        self.softmax = nn.Softmax(dim=-1)

    def forward(self, x):
        Q = self.q(x)  # Q: batch_size * seq_len * dim_k
        K = self.k(x)  # K: batch_size * seq_len * dim_k
        V = self.v(x)  # V: batch_size * seq_len * dim_v

        attention = torch.bmm(self.softmax(torch.bmm(Q, K.permute(0, 2, 1)) / math.sqrt(self.dim_k)), V)

        return attention

2. Multi-Head Self-Attention

在多头注意力机制中，将一个（映射后的）高维矩阵拆分成多个低维矩阵进行计算，最后再将计算结果拼接。这里注意，并不是将输入inputX拆分成多个，因为这样做会丢失原句信息！

多头注意力的多头拆分

class MultiHeadSelfAttention(nn.Module):
    """
    input : batch_size * seq_len * input_dim
        q : batch_size * input_dim * dim_k
        k : batch_size * input_dim * dim_k
        v : batch_size * input_dim * dim_v
    """
    def __init__(self, input_dim, dim_k, dim_v, nums_head):
        super(MultiHeadSelfAttention, self).__init__()
        assert dim_k % nums_head == 0
        assert dim_v % nums_head == 0
        self.dim_k = dim_k
        self.dim_v = dim_v
        self.q = nn.Linear(input_dim, dim_k)
        self.k = nn.Linear(input_dim, dim_k)
        self.v = nn.Linear(input_dim, dim_v)

        self.nums_head = nums_head
        self.softmax = nn.Softmax(dim=-1)

    def forward(self, x):
        Q = self.q(x).view(-1, x.shape[1], self.nums_head, self.dim_k // self.nums_head).permute(0, 2, 1, 3)	# [batch_size, n_head, seq_len, hidden_size // n_head]
        K = self.k(x).view(-1, x.shape[1], self.nums_head, self.dim_k // self.nums_head).permute(0, 2, 1, 3)
        V = self.v(x).view(-1, x.shape[1], self.nums_head, self.dim_v // self.nums_head).permute(0, 2, 1, 3)

        attention = torch.matmul(self.softmax(torch.matmul(Q, K.permute(0, 1, 3, 2)) / math.sqrt(self.dim_k)),
                                 V).transpose(-2, -1)  # [batch_size, n_head, seq_len, hidden_size // n_head]
        attention = attention.transpose(1, 2)  # [batch_size, seq_len, n_head, hidden_size // n_head]
        
        output = attention.reshape(-1, x.shape[1], x.shape[2])	# [batch_size, seq_len, hidden_size]
        
        # 或
        # attention = attention.permute(2, 0, 1, 3)
        # output = torch.cat([_ for _ in attention], dim=-1)
		
        return output